Facteur de puissance

Mise en œuvre des techniques d’amélioration

Le facteur de puissance présente un exemple typique des projets d’amélioration technique da la consommation électrique au sein de l’entreprise. En effet, le facteur de puissance est une composante importante de la facture électrique Haute et Moyenne Tension des entreprises industrielles. Le montant de la redevance s’y rapportant peut constituer dans certains cas plus 30 %(1) du montant global.

Par : Rabie El Khamlichi (*)

Dans toutes les installations réceptrices alimentées en courant alternatif et comportant des appareils d’utilisation (transformateur, moteurs, …etc.), la puissance électrique absorbée peut se décomposer en deux puissances. Puissance active (P), utile pour la conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique, donc directement utilisable, elle s’exprime en Watt et Puissance réactive (Q), qui sert à l’alimentation des circuits magnétiques des machines électriques pour assurer leur fonctionnement. Elle est mise à leur disposition par le réseau ou, de préférence, par des condensateurs prévus à cet effet (…).
La puissance apparente S est la somme vectorielle des deux puissances: Avec : j2 = -1 S = P + j Q. On appelle Facteur de puissance le rapport instantané entre la puissance active et la puissance apparente, il représente le déphasage entre le signal du courant et celui de la tension : Cos ? = P / S.
Le facteur de puissance moyen est le rapport entre l’énergie active exprimé en KWh et l’énergie apparente exprimé en KVAh.
En effet, plus un facteur de puissance est proche de 1, plus les performances de l’installation sont meilleures. Ceci reflète le taux d’utilisation effective de la puissance absorbée par chaque type d’installation.
Les causes de faibles valeurs de cos ? : Un mauvais facteur de puissance signifie des pertes importantes dans le réseau de distribution ; ainsi le courant fournis sera plus important que le courant requis par l’installation. En général, une installation (comportant des moteurs asynchrones, des transformateurs, des fours ou des chaudières…etc.) demande une énergie réactive aussi bien qu’une énergie active ; donc la valeur de Cos ? est déterminée par ces besoins.
Les faibles valeurs de Cos ? ont souvent pour cause les mauvaises conditions d’utilisation du matériel. Ces conditions correspondent, par exemple : pour les transformateurs : à un fonctionnement à vide ou à faible charge et pour les moteurs asynchrones : à des marches à vide ou à faibles charges fréquentes, auxquelles il convient d’ajouter parfois un niveau de tension d’alimentation trop élevé.
Un faible facteur de puissance a plusieurs conséquences nuisibles au bon fonctionnement d’une installation, impliquant une diminution de son rendement et de son efficacité.
Généralement, on ressent deux impacts d’un faible facteur de puissance, l’un est d’ordre technique et l’autre est plutôt économique :
Impacts techniques :
Influence sur la capacité d’un système électrique : Tout composant du réseau électrique est dimensionné selon ses conditions de fonctionnement, notamment le courant de régime maximal qu’il peut supporter (courant nominal), mais ce n’est qu’une partie du courant qui se transforme en énergie utile, la proportion de cette énergie est égale au facteur de puissance (…)
Ainsi, on remarque qu’on peut obtenir la même puissance active pour un courant apparent plus faible. En effet, un récepteur ayant un bon facteur de puissance permettra une meilleure exploitation des équipements qui l’alimentent, ce qui économise l’investissement dans une éventuelle extension de puissance rien qu’en améliorant le facteur de puissance.
Influence sur la qualité de service

Les pertes dans les lignes de transport : si nous considérons le réseau réduit à son impédance longitudinale : Z= R + j X.
Le transport d’une puissance active P et d’une puissance réactive Q à travers cet élément produit des pertes de la forme : RI2 = (P2 + Q2 )1/2
Ce qui se traduit par  un facteur de puissance plus en croissance où les pertes diminuent. Donc pour minimiser ces pertes, on peut agir sur la puissance réactive, d’où l’intérêt économique de réduire ses transits, on cherchera donc à compenser cette puissance par des générateurs placés au niveau des points de consommation.
Stabilité du réseau : Un autre inconvénient du fonctionnement à faible facteur de puissance est l’instabilité de la tension du réseau. Les fluctuations de tension sont plus courantes dans les conditions d’un faible facteur de puissance et la régulation de tension devient plus difficile.
L’impact économique se traduit ainsi par un amortissement du matériel : les composantes du réseau de distribution et de transport (lignes, liaisons..) ont une durée de vie dépendante de la charge qu’ils supportent, donc si l’amélioration du facteur de puissance soulage le matériel alors leurs durée de vie s’étend sur une période plus grande, d’où un gain sur l’amortissement de l’infrastructure du réseau. En plus d’une majoration Cos ? :En partant des explications précédentes, un mauvais facteur de puissance nuit énormément au réseau de distribution de l’énergie électrique. Pour limiter ce problème, l’ONE pénalise ses clients qui n’atteignent pas le seuil fixé pour les utilisateurs MT à 0,8. Et d’une redevance sur la puissance souscrite (RDPS) : Chaque client est tenu de souscrire une puissance apparente (sauf pour le tarif vert), donc si le facteur de puissance optimise la consommation en KVA, la puissance souscrite est moins importante.

Techniques d’amélioration du facteur de puissance 
Afin de soulager la facture d’électricité et de réduire les pénalités dues à l’excès de consommation de l’énergie réactive, on doit prévoir des sources locales qui peuvent fournir les besoins en totalité ou en partie. C’est ce qu’on appelle la compensation d’énergie réactive.
Le principe théorique de compensation d’énergie réactive  c’est l’amélioration du facteur de puissance d’une installation et consiste à installer un condensateur, source d’énergie réactive. En effet, l’installation d’une batterie de condensateurs de puissance Qc diminue la quantité d’énergie réactive fournie par le réseau.
Ainsi, la puissance de la batterie de condensateurs à installer se calcule à partir de la puissance active de la charge (en kW) et du déphasage tension courant avant (?) et après (?’) compensation.
Le principe de compensation de la puissance réactive Q d’une installation à une valeur plus faible Q’ par la mise en place d’une batterie de condensateurs de puissance Qc. En même temps, la puissance apparente passe de S à S’. Qc = PA*( tg ? – tg ?’ )
Par exemple : Soit un moteur qui absorbe, en régime normal, une puissance de 100 kW
Avec cos ? = 0.75 , soit tg ? = 0.88.
Pour passer à un cos ? = 0.93 soit tg ? = 0.40 , la puissance de la batterie à installer est : Qc = 100*(0.88- 0.40 ) = 48 KVAr.
Les techniques de compensation d’énergie réactive: présentent trois méthodes pour la compensation :
Individuelle, utilisée dans le cas d’identification d’une source individuelle de compensation contribuant à l’augmentation du Cosj . Il faudra donc installer les batteries au point le plus prés de l’équipement à faible facteur de puissance. Ce mode de compensation nous permet de : Supprimer les pénalités pour consommation excessive d’énergie réactive; Soulager le poste de transformation (puissance disponible en kW); Diminuer le diamètre des câbles et réduire les pertes par effet Joule ( kWh).
Par secteur, utilisée dans les systèmes où un ensemble de charges est responsable de la consommation de l’énergie active. Dans ce cas, le compensateur est branché à l’amant de cet ensemble.
Ce mode est le plus souvent utilisé dans les grandes installations. Ce type de compensation permet de  supprimer les pénalités pour consommation excessive d’énergie réactive, de soulager le poste de transformation ( puissance disponible en kW ) et d’optimiser une partie du réseau, le courant réactif n’étant pas véhiculé entre les niveaux 1 et 2; Les pertes par effet Joule (kWh) dans les câbles sont ainsi diminuées.
Et globale qui offre l’installation la plus simple et réalise le meilleur compromis technico-commercial. Ce mode de compensation concerne les petites installations ou les grandes installations dans le cas de condensateurs en gradin (variable).
Ce type de compensation supprime les pénalités pour consommation excessive d’énergie réactive, diminue la puissance apparente ( ou appelée) en l’ajustant au besoin réel en kW de l’installation et soulage le poste de transformation ( puissance disponible en kW).
Pour les pertes par effet Joule, comme les effets de la compensation ne se font sentir qu’en amont de la batterie des condensateurs, seule la partie des lignes qui se trouve entre la source et le point de branchement de la batterie est soulagée du point de vue des pertes joule. Ainsi ce mode de compensation ne fait bénéficier que le fournisseur en gain d’énergie réactive.

Encadré

Etude de cas

Amélioration du facteur de puissance de l’entreprise Textila(2)
D’après le tableau de relevés de la consommation électrique enregistrés durant le mois de septembre 2002 de la société Textila, le Coordinateur Energétique de la société a constaté que le facteur de puissance de la société est de 0.776. Ce qui se traduit par un montant de pénalité dû au mauvais facteur de puissance de 16 652 Dh (Le montant annuel de cette pénalité s’élève à : 62 371 Dh). Ce montant s’ajoute aux autres charges indirectes dues au surdimensionnement des câbles, pertes en lignes en plus de l’appel élevé de la puissance.
Pour résoudre ce problème, le Coordinateur énergétique a étudié l’intérêt d’insertion d’une batterie de compensation qui permet de réaliser un facteur de puissance de 0.95 afin d’améliorer, à la fois, le facteur de puissance et le rendement des installations.
La puissance de batterie à insérer :
On a : PA = 652 KVA et cos ? = 0.776 soit tg ? = 0.86. Pour passer à cos ? = 0.95 soit tg ? = 0.33, la puissance de la batterie à installer sera de Qc = 652*(0.86 – 0.33 ) = 345.56 KVAr.
Le montant de l’investissement :
Le montant d’investissement est déterminé par le prix d’acquisition des batteries. Les batteries fournies sont vendues au pas de 5 KVA(112), ainsi on choisit une batterie de capacité 7*50=350 KVA ce qui correspond à un montant de : 13 580 Dh
Les frais généraux d’installation sont estimés à 500 Dh. Le montant total d’investissement  est ainsi de 14 080 Dh
Les gains engendrés annuellement sont perceptibles à travers la récapitulation des résultats obtenus dans le tableau suivant :

Gains engendrés par l’amélioration du facteur de puissance

Le temps de retour d’investissement est nécessaire pour que l’entreprise amortisse les charges de son investissement estimé par :
Temps( en mois) = 14 080 / ( 112 721 / 12) = 1.498

(1) : Institut de l’Energie et de l’Environnement de la Francophonie IEPF, le diagnostique énergique d’une entreprise du secteur textile.
(2) : Le nom Textila est fictif, pour assurer l’anonymat de la société concernée par l’étude du cas.

(*) Ingénieur Industriel de l’EMI
Chercheur en économie d’énergie